13
В данной теореме определено, что достичь максимальной скорости (бит/с) можно путём увеличения полосы пропускания и мощности сигнала и, в то же время, уменьшения шума.
Теорема Шеннона — Хартли ограничивает информационную скорость (бит/с) для заданной полосы пропускания и отношения «сигнал/шум». Для увеличения скорости необходимо увеличить уровень полезного сигнала, по отношению к уровню шума.
Если бы существовала бесконечная полоса пропускания, бесшумовой аналоговый канал, то можно было бы передать неограниченное количество безошибочных данных по ней за единицу времени. Реальные каналы имеют ограниченные размеры и в них всегда присутствует шум.
Удивительно, но не только ограничения полосы пропускания влияют на количество передаваемой информации. Если мы комбинируем шум и ограничения полосы пропускания, мы действительно видим, что есть предел количества информации, которую можно было передать, даже используя многоуровневые методы кодирования. В канале, который рассматривает теорема Шеннона — Хартли, шум и сигнал дополняют друг друга. Таким образом, приёмник воспринимает сигнал, который равен сумме сигналов, кодирующего нужную информацию и непрерывную случайную, которая представляет шум.
Это дополнение создает неуверенность относительно ценности оригинального сигнала. Если приёмник обладает информацией о вероятности ненужного сигнала, который создает шум, то можно восстановить информацию в оригинальном виде, рассматривая все возможные влияния шумового процесса. В случае теоремы Шеннона — Хартли шум, как таковой, произведен гауссовским процессом с некоторыми отклонениями в канале передачи. Такой канал называют совокупным белым гауссовским шумовым каналом, так как гауссовский шум является частью полезного сигнала. «Белый» подразумевает равное количество шума во всех частотах в пределах полосы пропускания канала. Такой шум может возникнуть при воздействии случайных источников энергии, а также быть связан с ошибками, возникшими при кодировании. Знание о вероятности возникновения гауссовского шума значительно упрощает определение полезного сигнала.
1.2.2. Методы уплотнения линий связи
Вопросы для изучения:
•Передача дискретных (немодулированных) и гармонических (модулированных) сигналов.
Среды передачи данных предоставляют только потенциальную возможность передачи дискретной информации. Для того чтобы передатчик и приемник, соединенные некоторой средой, могли обмениваться информацией, им необходимо договориться о том, какие сигналы будут соответствовать
14
двоичным единицам и нулям дискретной информации. Для представления дискретной информации в среде передачи данных применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае чаще используют термин «кодирование», а во втором — «модуляция», но также можно встретить употребление этих терминов как синонимов.
Модуляция при передаче аналоговых сигналов:
Исторически модуляция начала применяться для аналоговой информации и только потом — для дискретной.
Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра. Примером такой ситуации является передача голоса по радио или телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10 кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30 кГц до 300 мГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.
Для решения проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного голосового сигнала (рис. 2.2). При этом спектр результирующего сигнала попадает в нужный высокочастотный диапазон. Такой тип модуляции называется амплитудной модуляцией (Amplitude Modulation, AM).
В качестве информационного параметра используют не только амплитуду несущего синусоидального сигнала, но и частоту. В этих случаях мы имеем дело с частотной модуляцией (Frequency Modulation, FM).
Рисунок 2.2 — Модуляция голосовым сигналом
Модуляция при передаче дискретных сигналов
При передаче дискретной информации посредством модуляции единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы несущего синусоидального сигнала. В случае, когда модулированные сигналы передают дискретную информацию, вместо термина «модуляция» иногда используется термин «манипуляция»: амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying,
15
ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK),фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK).
Пожалуй, самый известный пример применения модуляции при передаче дискретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным каналам. Этот составной канал проходит через коммутаторы телефонной сети и соединяет телефоны абонентов. Канал тональной частоты передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая узкая полоса пропускания вполне достаточна для качественной передачи голоса, однако она недостаточно широка для передачи компьютерных данных в виде прямоугольных импульсов. Решение проблемы было найдено благодаря аналоговой модуляции. Устройство, которое выполняет функцию модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и обратную функцию демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).
На рис. 2.3 показаны различные типы модуляции, применяемые при передаче дискретной информации. Исходная последовательность битов передаваемой информации приведена на диаграмме, представленной на рис. 2.3, а.
При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой (рис. 2.3, б). Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.
Рисунок 2.3 — Различные типы модуляции При частотной модуляции значения нуля и единицы исходных данных
передаются синусоидами с различной частотой — fо и fi (рис. 2.3, в). Этот способ модуляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 и 1200 бит/с. При использовании только двух частот за один такт передается один бит информации, поэтому такой способ называется двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK).Могут также использоваться четыре различные частоты для кодирования двух битов информации в одном такте,
16
такой способ носит название четырехуровневой частотной манипуляции
(four-level FSK). Применяется также название многоуровневая частотная манипуляция (Multilevel FSK, MFSK).
При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы, например 0 и 180° или 0, 90,180 и 270° (рис. 2.3, г). В первом случае такая модуляция носит название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSК, BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature PSK, QPSK).
Комбинированные методы модуляции
Для повышения скорости передачи данных прибегают к комбинированным методам модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (QuadratureAmplitude Modulation, QAM). Эти методы основаны на сочетании фазовой и амплитудной модуляции.
На рис. 2.4 показан вариант модуляции, в котором используется 8 различных значений фазы и 4 значения амплитуды. Однако из 32 возможных комбинаций сигнала задействовано только 16, так как разрешенные значения амплитуд у соседних фаз отличаются. Это повышает помехоустойчивость кода, но вдвое снижает скорость передачи данных. Другим решением, повышающим надежность кода за счет введения избыточности, являются так называемые решетчатые коды. В этих кодах к каждым четырем битам информации добавляется пятый бит, который даже при наличии ошибок позволяет с большой степенью вероятности определить правильный набор четырех информационных битов.
Рисунок 2.4 - Квадратурная амплитудная модуляция с 16 состояниями сигнала.
1.2.3. Передающая среда
Вопросы для изучения:
•Стандарты кабелей;
•Радио и инфракрасный канал передачи данных;
17
•Структурированные кабельные системы. Стандарты СКС. Подсистемы СКС.
Кабель – изделие, которое состоит из проводников, слоев экрана и изоляции.
В компьютерных сетях применяются кабели, которые удовлетворяют определенным стандартам. Эти стандарты распространяются также на разъемы и дополнительное оборудование, которое используется для быстрой перекоммутации кабелей.
Общепризнанными являются три стандарта:
•американский стандарт EIA/TIA – 568A;
•международный стандарт ISO/IEC 11801;
•европейский EN50173.
Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от своих электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий. В стандарт EIA/TIA – 568A вошли кабели 3-5 категории. В сетях со скоростями 100 Мбит/с –1Гбит/с используются кабели пятой категории.
Экранированная витая пара описывается стандартами IBM и делится на типы: Type1, … , Type9. Type1по своим характеристикам примерно соответствует UTP Cat5. Используется в качестве среды передачи данных в сетях Token Ring.
Коаксиальный кабель включает следующие типы коаксиального кабеля:
•RG-8, RG-11 – «толстый коаксиал», используется в сетях Ethernet 10Base-5;
•RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U– «тонкий коаксиал», используется в сетях Ethernet 10Base-2;
•RG-59 – телевизионный кабель, применяется в кабельном телевидении. Волоконно-оптический кабель состоит из проводника света, который окружен слоем стекла с меньшим показателем преломления. Луч света не выходит за пределы сердцевины кабеля, отражаясь от внешней оболочки.
Различают три типа оптоволоконного кабеля:
•многомодовое волокно со ступенчатым преломлением показателя преломления;
•многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;
•одномодовое волокно.
Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) диаметр центрального проводника соизмерим по размеру с длиной волны света. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода и не отражаются от внешнего проводника.
В многомодовых кабелях (Multi-Mode Fiber, MMF)используют более широкие внутренние сердечники. Во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, которые отражаются от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называют модой.
18
Радиоканал характеризуется частотой радиоволн передаваемого сигнала. Существует множество систем передачи данных через радиоканал, использование которых зависит от требований к каналу. Существует несколько нелицензируемых диапазонов. В таких диапазонах регистрация устройств не требуется.
Наиболее популярные диапазоны: 433МГц, 868 МГц, 2.4 ГГц, 5 ГГц.
В диапазонах 433МГц, 868 МГц чаще всего работают различные технологические сети, с помощью которых констролирутся работа различного удаленного технологического оборудования, сбора информации с датчиков и т. п.
Диапазон 2.4 ГГц, 5 ГГц используют различные стандарты, но наиболее популярными являются Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee.
На более высоких частотах работают линии радиорелейной связи, которая используется в удаленных районах, в которых затруднена прокладка кабелей, в сетях мобильных операторов и т. п. РРЛ работает в условиях прямой видимости и на больших расстояниях.
Инфракрасный канал — канал передачи данных, не требующий для своего функционирования проводных соединений и использующий инфракрасное излучение.
В отличие от радиоканала, инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся высокая стоимость приемников и передатчиков, где требуется преобразование электрического сигнала в инфракрасный и обратно, а также низкие скорости передачи (обычно не превышает 5-10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров возможны существенно более высокие скорости). В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров, но наиболее удобен он для связи компьютеров, находящихся в одном помещении, где отражения от стен комнаты дает устойчивую и надежную связь. Наиболее естественный тип топологии здесь — «шина» (то есть переданный сигнал одновременно получают все абоненты).
Структурированные кабельные системы. Стандарты СКС. Подсистемы СКС
Структурированная кабельная система (СКС) представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную на структурные подсистемы.
СКС состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъемов, модульных гнезд, информационных розеток и вспомогательного оборудования. Все перечисленные элементы объединяются в единую систему и эксплуатируются согласно определенным правилам. Структурированная кабельная система способна поддерживать широкий диапазон приложений и создается без предварительного знания тех приложений, которые будут использоваться
19
впоследствии. Все стандарты СКС можно разделить на три группы - проектирование, монтаж и администрирование.
Стандарты проектирования определяют среду передачи, параметры разъемов, линии и канала, в том числе предельно допустимые длины, способы подключения проводников (последовательность), топологию и функциональные элементы СКС. Приложения дополняют стандарты в смежных областях и подразделяются на нормативные (часть стандарта) и информационные (для сведения). К этой группе можно отнести также документы, определяющие параметры заземления, особенности СКС малых офисов и жилых зданий, централизованных систем и рекомендации по построению открытых офисов. Стандарты монтажа определяют телекоммуникационные аспекты проектирования и строительства (комплекса)
зданий. Стандарты администрирования определяют правила документирования телекоммуникационной инфраструктуры и создаются на базе стандартов проектирования и монтажа.
Основными стандартами по СКС являются:
•международный стандарт ISO/IEC 11801 Generic Cabling for Customer Premises;
•европейский стандарт EN50173 Information technology – Generic cabling systems;
•американский стандарт ANSI/TIA/EIA 568-В Commercial Building Telecommunication Cabling Standard.
По назначению структурированную сеть принято разделять на подсистемы. Согласно международным стандартам, выделяют три подсистемы: магистраль комплекса, магистраль здания и горизонтальную подсистему.
Магистраль комплекса служит для соединения различных зданий. Как правило, она реализуется на оптоволоконном (реже медном) кабеле и позволяет соединять между собой здания, находящиеся на расстоянии до нескольких километров.
Магистраль здания соединяет этажи здания, обеспечивает связь между распределительной панелью здания и панелями этажей. Она должна включать кабель, установленный вертикально между этажными панелями, главную или промежуточную панель в многоэтажном здании, а также кабель, установленный горизонтально между панелями в длинном одноэтажном здании.
Горизонтальная подсистема прокладывается между телекоммуникационной розеткой на рабочем месте и этажной распределительной панелью. Каждый этаж здания рекомендуется обслуживать собственной горизонтальной подсистемой. На каждое рабочее место должно быть проложено как минимум два горизонтальных кабеля.
По стандарту ANSI/TIA/EIA-568-A выделяют 6 подсистем.
•Entrance facility (устройства ввода). К этой подсистеме относятся все кабели, соединительное оборудование, защитные и другие устройства,